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Anordnung zur Überwachung von Wechselspannungen, insbesondere von
Gleisspannungen in selbsttätigen Gleisfreimeldeanlagen des Eisenbahnsicherungswesens
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Überwachung von Wechselspannungen
auf Änderung der Amplitude oder Phase gegenüber einer Vergleichsspannung unter Benutzung
von elektronisch wirkenden Elementen mit mindestens drei Elektroden, von denen zwei
einander entsprechende an gegenphasigen Vergleichsspannungen und die beiden anderen
gleichartigen an einer Steuerspannung liegen, die sich aus der zu überwachenden
Wechselspannung und einer Vorspannung gleicher Frequenz, aber konstanter Amplitude
und Phase derart zusammensetzt, daß die Steuerspannungen je nach der Größe der zu
überwachenden Spannung um 18o° phasenverschoben sind, insbesondere für die Überwachung
von Gleisspannungen in selbsttätigen Gleisfreimeldeanlagen des Eisenbahnsicherungswesens.
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Im Eisenbahnsicherungswesen erfolgt die selbsttätige Frei- und Besetztprüfung
von Gleisabschnitten vielfach mit Wechselstrom, der den isolierten Gleisabschnitten
an dem einen Ende zugeführt und am
anderen Ende durch ein sogenanntes
Gleisrelais ausgewertet wird. Dabei wird die jeweils vorhandene veränderliche Gleisspannung
mit einer Vergleichsspannung nach Amplitude, Phase und Frequenz verglichen.
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Es ist bekannt, die bisher im allgemeinen verwendeten Drehfeld- oder
Motorrelais durch Schaltungen mit Elektronenröhren oder gleich wirkenden Elementen
zu ersetzen. Man hat derartige Anordnungen in der Weise entwickelt, daß zwei Gleichstromrelais
oder auch die Signale selbst jeweils entgegengesetzte Stellungen einnehmen, wenn
das Gleis frei ist bzw. besetzt ist. Hierbei sind jeweils zwei Vergleichsstromkreise
vorhanden, die bei Verwendung nur einer Röhre durch Gleichrichter getrennt sind.
Verwendet man zwei Röhren, so können entweder die Vergleichsspannungen gleichphasig
und die Gleisspannungen gegenphasig auf die Röhren einwirken oder die Vergleichsspannungen
in Gegenphase und die Gleisspannungen mit gleicher Phase den beiden Röhren zugeführt
werden.
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Ein Nachteil von Röhrenschaltungen ist der zusätzliche Leistungsbedarf
für die möglichst konstant zu haltende Heizung sowie die unterschiedliche Lebensdauer.
Gerade im Eisenbahnsicherungswesen müssen, um jede Störung weitgehend auszuschalten,
Einrichtungen mit begrenzter Lebensdauer, z. B. Glühlampen, schon ausgewechselt
werden, ehe sie vollkommen unbrauchbar geworden sind. Es ist nun ein weiterer Nachteil
bei Röhrenschaltungen, daß ihre Lebensdauer stark von unterschiedlichen Betriebsverhältnissen,
z. B. den Heizspannungen, abhängig ist, so daß sich die Lebensdauer nicht im voraus
bestimmen läßt, sondern eine vorzeitige Auswechslung erforderlich ist. Ein weiterer
Nachteil besteht darin, daß Röhren nicht erschütterungssicher sind. Dieses Moment
spielt aber eine besondere Rolle im Eisenbahnsicherungswesen, da die von den Zügen
erzeugten Erschütterungen nicht nur in den Fahrzeugen vorhanden sind, sondern auch
auf die nähere Umgebung übertragen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Zwecke des Eisenbahnsicherungswesens,
bei denen eine elektronisch wirkende Gleichrichtung oder Verstärkung erforderlich
ist, als gesteuerte Anordnungen Transistoren einzusetzen. Diese benötigen keine
Heizung, arbeiten bei kleineren und daher leichter zu erzeugenden Spannungen als
Röhren, sind vollkommen erschütterungssicher und besitzen eine fast unbegrenzte
Lebensdauer, so daß sie keinerlei Wartung und Überwachung benötigen. Darüber hinaus
ermöglichen Halbleiter einen anderen Schaltungsaufbau als Röhrenschaltungen.
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Ersetzt man in der bekannten Gleisrelaisschaltung mit einer Röhre
und zwei gegenphasig gespeisten, durch Gleichrichter getrennten Vergleichsstromkreisen
die Röhre durch einen Transistor, so ergibt sich eine sicherungstechnisch völlig
unbrauchbare Schaltung, da schon durch Kurzschluß eines Gleichrichters aus der Anzeige
»Gleis besetzt« die Anzeige »Gleis frei« entsteht.
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Ersetzt man in den Schaltungen mit zwei Röhren und Gleichstromrelais
die Röhren durch Transistoren, so muß man den Transistoren noch je einen Gleichrichten
im Kollektorkreis hinzufügen, um Fehlströme zu vermeiden. In dieser Schaltung wären
außerdem die heute üblichen Transistoren nicht in der Lage, so viel Leistung abzugeben,
daß damit normale Sicherungs- oder Fernsprechrelais für Gleichstrom betrieben werden
können.
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Erfindungsgemäß wird die Anordnung so getroffen, daß in den beiden
Vergleichsstromkreisen je ein Transistor und je ein Wechselstromrelais liegen und
daß die Relais derart bemessen sind, daß sie nur ansprechen, wenn in dem betreffenden
Kreis in beiden Halbwellen durch den in der einen Halbwelle normal und in der anderen
Halbwelle invers betriebenen Transistor Strom fließt. Bei Anordnungen nach der Erfindung
wird also die spezielle Eigenschaft eines üblichen Transistors ausgenutzt, daß er
invers betrieben werden kann. Beispielsweise kann bei Basisschaltung über den Kollektor
sowohl bei positiver als auch bei negativer Vergleichsspannung des Kollektors gegenüber
der Basis ein Kollektorstrom fließen, wenn diese Spannung gegenphasig zu der zwischen
Emitter und Basis liegenden Steuerspannung ist. Hierdurch kann beispielsweise bei
Anwendung der Erfindung zur Gleisspannungsüberwachung erreicht werden, daß bei freiem
Gleis in dem einen Vergleichsstromkreis und bei besetztem Gleis in dem anderen Vergleichsstromkreis
über den Kollektor des zugehörigen Transistors in beiden Halbwellen der Vergleichsspannung
ein Strom fließt, der das in den Stromkreis geschaltete Wechselstromrelais zum Ansprechen
bringt. Die in den beiden Vergleichsstromkreisen angeordneten Relais, die so bemessen
sind, daß sie auf den bei gleicher Phase von Vergleichsspannung und Steuerspannung
fließenden pulsierenden Gleichstrom nicht ansprechen, nehmen daher bei freiem und
besetztem Gleis jeweils entgegengesetzte Schaltzustände ein. Die durch den inversen
Betrieb der Transistoren zur Steuerung der Relais verfügbare Wechselstromleistung
ist wesentlich größer als bei Beibehaltung der für Röhrenschaltungen bekannten Betriebsart,
bei der nur in einer Halbwelle ein Vergleichsstrom fließen würde.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt.
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Mit io und 2o sind zwei pnp-Transistoren bezeichnet, die in Basisschaltung
betrieben werden, d. h., der steuernde Stromkreis liegt zwischen Basis und Emitter
und der gesteuerte Stromkreis zwischen Basis und Kollektor. Die Emitter E i und
E 2 und die Basen B i und B?, liegen parallel am Transformator T i für die
Steuerspannung. Die zwischen den gleichen Elektroden E i und B i bzw. E:2
und B 2 der beiden Transistoren wirksamen Steuerspannungen sind also gleichphasig
und gleich groß. Die Steuerspannung Ust setzt sich aus der Gleisspannung Ugl, die
zwischen einem andlichen Wert bei freiem Gleis und annähernd dem Wert Null bei besetztem
Gleis schwankt, und einer konstanten Vorspannung Ur gleicher Frequenz, aber entgegengesetzter
Phase zusammen: Ust = Ugl (-Ur)
= Ugl - Ur. Bei freiem
Gleis sei z. B. Ugt = 2 Ur. Dann ist Ust = 2 Ur - Ur = Ur. Bei besetztem
Gleis, i. h. bei Ugl ~ o, ist Ust = -Ur. Die Steuerspannung )ei freiem
Gleis ist also gegenüber der bei besetztem Bleis um 18o° phasenverschoben. Die konstante
Vergleichsspannung
wird durch die Wicklungen I und II des Gegentakttransformators
T2 erzeugt und liegt über die Wechselstromrelais R i, R2 und die Kondensatoren C
i und C :z zwischen Kollektor K i bzw. K2
und Basis B i bzw.
B 2 der Transistoren. Die zwischen den gleichen Elektroden K i und
B i bzw. K 2 und B 2
wirksamen Vergleichsspannungen sind gegenphasig.
Gleisspannung, Vorspannung und Vergleichsspannung werden in bekannter Weise von
derselben Stromquelle erzeugt und haben daher dieselbe Frequenz. Ferner ist angenommen,
daß Vergleichsspannung und Gleisspannung gleichphasig und somit gegenphasig zur
Vorspannung sind. Der eine Vergleichsstromkreis mit dem Transistor io, dem Relais
R i, dem Kondensator C i und der Sekundärwicklung I ist der Besetztmeldestromkreis;
der andere Vergleichsstromkreis mit dem Transistor 2o, dem Relais R2, dem Kondensator
C2 und der Sekundärwicklung II ist der Freimeldestromkreis. Bei freiem Gleis ist
die Steuerspannung Ust gleichphasig mit der Vergleichsspannung für den Transistor
io und gegenphasig mit der Vergleichsspannung des Transistors 20.
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Während der Halbwelle i der Vergleichsspannung ist der Kollektor Ki
des Transistors io gegenüber der Basis Bi negativ vorgespannt und der Kollektor
K2 des Transistors 2o gegenüber der Basis B2 positiv vorgespannt. Bei der entsprechenden
Halbwelle a der Steuerspannung ist der Emitter E i bzw. E 2 gegenüber der Basis
B i bzw. B 2 negativ vorgespannt. Der Transistor io ist hierbei gesperrt
und das Relais Ri stromlos. Durch den Transistor 2o fließt vom Kollektor K2 zum
Emitter E2 ein Strom, der das Relais R 2 zum Ansprechen bringt. In der Halbwelle
2 der Vergleichsspannung bzw. b der Steuerspannung ist der Kollektor K2 gegenüber
der Basis B2 negativ vorgespannt. Da aber der Emitter E2 gegenüber der Basis B2
positiv vorgespannt ist, fließt durch den Transistor 2o jetzt ein Strom vom Emitter
zum Kollektor, d. h. in entgegengesetzter Richtung wie in der Halbwelle i. Der Transistor
2o wird also in dieser Halbwelle invers betrieben. Infolge der »Durchschaltung«
des Transistors 20 in beiden Halbwellen wird das Freimelderelais R 2 von einem Wechselstrom
durchflossen, und sein Anker bleibt angezogen. Im Transistor io ist in den Halbwellen
2 der Vergleichsspannung und b der Steuerspannung der Kollektor Ki gegenüber der
Basis B i positiv vorgespannt. Durch den Transistor io fließt dabei ein Kollektorstrom,
durch den der Kondensator C i aufgeladen wird. In der nächsten Halbwelle mit der
Polarität der Halbwelle i bzw. a ist der über den Transistor io geführte Gleichstromkreis
infolge der negativen Vorspannung des Emitters E i wieder gesperrt und in der folgenden
Halbwelle mit der Polarität der Halbwelle :2 wieder geöffnet usf. Durch den Transistor
io fließt also nur während einer Halbwelle der Wechselspannung ein Strom, der den
Kondensator C i mehr und mehr auflädt, aber zur Betätigung des Relais R i nicht
ausreicht. Die Ladespannung des Kondensators ist der bei der Polarität der Halbwelle
2 an der Wicklung I auftretenden Spannung entgegengesetzt gerichtet und verkleinert
die Größe des pulsierenden Gleichstromes, der in allen folgenden Halbwellen mit
der Polarität der Halbwelle 2 über den Transistor io fließen kann. Der in dem restlichen
Gleichstrom enthaltene Wechselstromanteil bleibt hierdurch so klein, daß das Relais
R i seinen Anker nicht anzieht.
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Wird das Gleis besetzt, so ändert sich die Phasenlage der Steuerspannung
um i8o°. Die Steuerspannung ist dann gleichphasig mit der Vergleichsspannung für
den Transistor 2o und gegenphasig mit der Vergleichsspannung für den Transistor
io. Bei der Halbwelle i der Vergleichsspannung hat also die Steuerspannung die Polarität
der Halbwelle b und bei der Halbwelle 2 -der Vergleichsspannung die Polarität der
Halbwelle a. Bei besetztem Gleis fließt dann durch den Transistor io ein Wechselstrom,
der das Relais R i zum Ansprechen bringt. Durch den Transistor 2o fließt ein pulsierender
Gleichstrom, der den Kondensator C 2 auflädt. Nach Aufladung des Kondensators C
2 ist im Freimeldestromkreis der restliche Wechselstromanteil des pulsierenden Gleichstromes
so klein, daß das Freimelderelais R2 abfällt. Bei freiem und besetztem Gleis nehmen
also die Relais R i und R 2 jeweils entgegengesetzte Schaltungszustände ein.
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Kurzschluß oder Unterbrechung in einem der Transistorkreise führt
zum Anziehen des jeweils abgefallenen oder zum Abfallen des jeweils angezogenen
Relais. Beide Relais nehmen dann den gleichen Schaltungszustand ein, wodurch eine
Störungsmeldung ausgelöst wird.
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Die Auswertung des Wechselstromes in den Vergleichsstromkreisen erfolgt
zweckmäßigerweise durch Gleichstromrelais, denen Doppelweggleichrichter vorgeschaltet
sind.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt.
Für die Transistoren kann auch eine Emitterschaltung oder eine Kollektorschaltung
verwendet werden, wenn die Vergleichsspannung und die Steuerspannung entsprechend
bemessen sind. In diesem Fall wird der »durchgeschaltete« Transistor abwechselnd
in einer Halbwelle ebenfalls normal, in der anderen Halbwelle jedoch über die dann
in Flußrichtung gepolte Kollektor-Basis-Strecke (bei Emitterschaltung) bzw. Emitter-Basis-Strecke
(bei Kollektorschaltung) invers betrieben.